（机械电子工程专业论文）大功率光纤激光焊接路径红外检测新方法.pdf

摘要 摘要 激光焊接技术起始于2 0 世纪7 0 年代的美国。随着激光器本身的发展，激光功率由 小到大、光束质量及稳定性不断提高，激光焊接技术已在工业发达国家普遍应用于工 业界的各个领域。激光焊接作为一种先进的特种焊接工艺，其主要优点是单位长度焊 缝所获得的能量密度大、焊接速度高、焊缝热影响区小、变形小、接头机械性能高、 焊缝轮廓尺寸不受限制等。运用大功率激光器焊接，可以获得大的熔深。 焊缝跟踪是焊接过程中的一项关键技术，精确控制激光束使其准确对准焊缝位置 是保证焊接质量的前提。近年来，机器视觉成为检测焊缝的主要方法，但是由于传统 的机器视觉检测法主要通过视觉传感器采集焊缝图像，然后应用图像边缘检测算法获 取焊缝信息，往往容易受到焊接过程噪声的干扰，很难获得层次分明和清晰的焊缝图 像。论文针对大功率光纤激光焊接3 0 4 型奥氏体不锈钢板紧密对接焊( 间隙不大于 0 i m m ) ，在焊接工艺条件下，使用高速红外摄像机获取焊接区域熔池动态红外热像， 分析熔池红外热像序列，选取感兴趣区域进行图像处理，提取熔池及匙孔特征参量， 分析激光束对准和偏离焊缝中心线时的熔池特性。以匙孔形状参数、热堆积效应参数 和匙孔质心横坐标作为描述激光束与焊缝中心线之间偏差检测的特征值。通过回归分 析、b p 神经网络和径向基网络建模，研究特征参数与焊缝偏差之间的数学关联。激光 焊接试验结果表明，匙孔形状参数、热堆积效应参数和质心与焊缝偏差之间存在密切 联系，随着激光束逐渐偏离焊缝位置，各特征参数呈现递增趋势。论文最终建立了熔 池特性参数和焊缝偏移量之间的辨识模型，为实际焊接工业中实时控制激光束对准焊 缝位置提供新方法，具有一定的理论和现实意义。 关键词：大功率光纤激光焊；焊缝跟踪：红外热像；视觉传感；检测 广东工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t l a s e rw e l d i n gt e c h n o l o g yo r i g i n a t e df r o mt h eu n i t e ds t a t e si n19 7 0 w i 血t h e d e v e l o p m e n to fl a s e r , l a s e rp o w e rc h a n g e df r o ms m a l lt ol a r g e ，q u a l i t ya n ds t a b i l i t yo f l a s e r b e a mi m p r o v e d , l a s e rw e l d i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di nv a r i o u si n d u s t r yf i e l d s a sas p e c i a lw e l d i n g p r o c e s s ，t h em a i na d v a n t a g eo ft h ea d v a n c e dl a s e rw e l d i n gi si t sl a r g e w e l de n e r g yd e n s i t yi np e ru n i tl e n g t h , h i g hw e l d i n gs p e e d ，s m a l lw e l db e a ta f f e c t e dz o n e ， s m a l ld e f o r m a t i o n , h i ：g hm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fj o i n t sa n dw e l dp r o f i l ed i m e n s i o n sd on o t s u b j e c tt or e s t r i c t i o n s w ec o u l dg e tal a r g ep e n e t r a t i o nd e p t hu s e dh i g i lp o w e rl a s e rw e l d i n g w e l ds e a m t r a c k i n gi sak e yt e c h n o l o g yi nt h ew e l d i n gp r o c e s s ，p r e c i s ec o n t r o lo fl a s e r b e a mt oa l i g nt h ew e l dp o s i t i o na c c u r a t e l yi st h ep r e m i s et oe n s b r et h ew e l d i n gq u a l i t y i n r e c e n ty e a r s ，m a c h i n ev i s i o nb e c o m e st h ep r i m a r ym e t h o do fs e a md e t e c t i n g , h o w e v e r , t h e t r a d i t i o n a lm a c h i n ev i s i o ni n s p e c t i o nm e t h o dc o l l e c t e dw e l di m a g ei sm a i n l yt h r o u g hv i s u a l s e n s o r s ，t h e nw e l di n f o r m a t i o nw a sc a p t u r e db ya p p l i e dt h ei m a g ee d g ed e t e c t i o na l g o d t h m , t h ew e l d i n gp r o c e s sw a so r e ns u s c e p t i b l et on o i s ei n t e r f e r e n c e ，i t sd i f f i c u l tt oo b t a i nc l e a r i m a g e s a i m i n ga ti n v e s t i g a t i n gt h eh i g h p o w e rf i b e rl a s e rw e l d i n go ft y p e3 0 4a u s t e n i t i c s t a i n l e s ss t e e lp l a t eb u t tw e l d i n g ( t h eg a pi sn o tg r e a t e rt h a n0 1 m m ) ，a ni n f i x e ds e n s i t i v e h i g hs p e e dc i l m e r aa r r a n g e do f f - a x i so r i e n t a t i o no fl a s e rb e a mw a su s e dt oc a p t u r et h e d y n a m i ct h e r m a li m a g e so fam o l t e np 0 0 1 t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e r m a ld i s t r i b u t i o na n d i n f r a r e dr a d i a t i o no ft h em o l t e np o o lw h e nt h el a s e rb e a mf o c u sd e v i a t e df r o mt h ew e l d i n g s e a mc e n t e rw a s a n a l y z e d p a r a m e t e r s c a l l e dt h e k e y h o l es h a p ep a r a m e t e r , t h eh e a t a c c u m u l a t i o ne f f e c tp a r a m e t e ra n dk e y h o l ec c n t r o i dw e r ed e f i n e da st h ee i g e n v a l u e so fs e a m t r a c k i n go f f s e tt od e t e r m i n et h eo f f s e tb e t w e e nt h el a s e rb e a mf o c u sa n dt h ed e s i r e dw e l d i n g 戳：锄n a l s o ，t h ei n a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e sw e r ea p p l i e dt oa n a l y z et h ei n f r a r e di m a g e so f t h em o l t e np o o l ，w h i c hi n d i c a t e dt h ep l 僦c eo fm a t h e m a t i cc o r r e l a t i o nb e t w c c nt h ed e f i n e d p a r a m e t e r sa n dt h e 翻笺衄bt r a c k i n go f f s e t t h ew e l d i n ge x p e r i m e n t sc o n f i r m e dt h a tt h eo f f s e t b e t w e e nt h el a s e rb e a mf o c u sa n dt h ew e l d i n gs e 锄c o u l db ee s t i m a t e db yt h ek e y h o l es h a p e p a r a m e t e r s , t h eh e a ta c c u m u l a t i o ne f f e c tp a r a m e t e ra n dk e y h o l ec e n t r o i de f f e c t i v e l y a b s t r a c t t h r o u g hm e t h o d so fr e g r e s s i o na n a l y s i s ，b pn e u r a ln e t w o r ka n dr b fn e t w o r km o d e l i n g ，t h e m a t h e m a t i c a lc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h es e a mb i a sa n dt h e c h a m c t e d s t i cp a r a m e t e r sw a s s t u d i e d l a s e rw e l d i n ge x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h e r em u s tb es o m er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ek e y h o l es h a p ep a r a m e t e r s ，h e a ta c c u m u l a t i o ne f f e c tp a r a m e t e r ，k e y h o l ec e n t r o i da n dt h e s e a mt r a c k i n go f f s e t , 晰mt h el a s e rb e a md e v i a t i n gf r o mt h ew e l dp o s i t i o ng r a d u a l l y ，t h e c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r ss h o wa ni n c r e a s i n gt r e n d am o d e lo ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e p a r a m e t e r sa n ds e a mt r a c k i n go f f s e tw a se s t a b l i s h e d ，i tp r o v i d e san e wm e t h o df o rr e a l - t i m e c o n t r o l l i n gw e l d i n gl a s e rb e a mi na c t u a li n d u s t r i a l ，a n dh a st h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e 。 k e y w o r d s ：h i g l l - p o w e rf i b e rl a s e rw e l d i n g ：s e a mt r a c k i n g ：i n f r a r e dt h e r m a li m a g e ：v i s i o n i i i c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) c o n t e n t s a b s t r a c t ( e n g l i s h ) c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 川 l 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u n d 1 i 2o v e r v i e wo fl a s e rw e l d i n g 2 1 2 iw o r k i n gp r i n c i p l e so fl a s e rw e l d i n g 2 1 2 2a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fl a s e rw e l d i n gt e c h n o l o g y 2 1 2 3c l a s s i f i c a t i o no fl a s e rw e l d i n g 3 1 2 4a p p l i c a t i o no fl a s e rw e l d i n g 4 1 3r e s e a r c ho ns e a mt r a c k i n go fl a s e rw e l d i n g 4 1 3 1s t r u c t u r e dl i g h tv i s i o ns e n s i n gm o d e 5 1 ： ：! c o a x i a lv i s u a ld e t e c t i o nm o d e 6 1 3 3l a s e rs t r o b o s c o p i cp h o t o g r a p h ym o d e 6 1 ：；4i n f r a r e ds e n s o rd e t e c t i o nm o d e 7 1 4s i g n i f i c a n c ea n dm a i nr e s e a r c hc o n t e n t s 7 1 4 is i g n i f i c a n c e 7 1 4 2m a i nr e s e a r c hc o n t e n t s 8 1 5s u m m a r y 8 c h a p t e r 2e x p e r i m e n to fh i i g h - p o w e rf i b e r l a s e rw e l d i n g 2 1o v e r v i e so fe x p e r i m e n t a ls y s t e m 9 2 2m a i nh a r d w a r es t r u c t u r e l ( ) 2 2 1h i g h - p o w e rf i b e rl a s e rd e v i c e 1 0 2 2 2l a s e rw e l d i n gh e a d ii 2 2 3i m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m 12 2 2 4w e l d i n gr o b o t 1 4 v n 广东工业大学硕士学位论文 2 2 5o t h e re q u i p m e n t s 15 2 3e x p e r i m e n t a lp r o g r a m 15 2 4s u m m a r y 。1 9 c h a p t e r 3i m a g ep r o c e s s i n ga n da n a l y s i so fi n f r a r e dm o l t e np o o l 2 1 3 1i m a g ee n h a n c e m e n t 2 1 3 1 1g r a yt r a n s f o r m 2 1 3 1 2t h r e s h o l ds e g m e n t a t i o n 一2 2 3 1 3e d g ee x t r a c t i o n 2 2 3 2i m a g ea n a l y s i sa td i f f e r e n ts t a t eo f m o l t e np o o l 2 3 3 33 - da n a l y s i so f m o l t e np 0 0 1 2 5 3 4s u m m a r y 2 7 c h a p t e r4e x t r a c t i o no fi n f r a r e dm o l t e np o o lc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s 2 8 4 1k e y h o l es h a p ep a r a m e t e r 2 8 4 1 1p r e p r o c e s s i n go fm o l t e np o o l 一2 8 4 1 2e x t r a c t i o no fk e y h o l es h a p ep a r a m e t e r 2 9 4 1 3a n a l y s i so fk e y h o l es h a p ep a r a m e t e r 3 0 4 2h e a te f f e c t p a r a m e t e r 3 3 4 2 1e x t r a c t i o no fh e a te f f e c tp a r a m e t e r 3 3 4 2 2a n a l y s i so fh e a te f j f i e c tp a r a m e t e r 3 5 4 3o t h e rc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s 3 6 4 3 1k e y h o l ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s 3 6 4 3 2g e o m e t r i cc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so f m o l t e np o o l 3 9 4 3 3k e y h o l ec e n t r o i d 4 1 4 4s u m m a r y 4 2 c h a p t e r5m o d e l o fs e a mo f f s e ta n dc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s 5 1m a t h e m a t i c a lm o d e l i n g 4 3 5 2b pn e u r a ln e t w o r km o d e l i n g 4 4 5 2 1p r i n c i p l e so fb pn e u r a ln e t w o r k 4 4 v i i i c o n te n t s ! ；2 2n e u r o nm o d e 4 4 5 2 3b pn e u r a ln e t w o r k 4 5 5 3b pn e u r a ln e t w o r km o d e lo fs e a mo f f s e t 4 7 5 3 1d a t as a m p l es e l e c t i o n 4 7 5 3 2b pn e u r a ln e t w o r kp a r a m e t e r ss e l e c t i o n 4 8 5 3 3b pn e u r a ln e t w o r kd e s i g na n ds i m u l a t i o n 。4 9 5 ：；4r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 5 4 5 4r b fn e t w o r km o d e l 5 7 5 4 1r b fn e t w o r kn e u r o nm o d e s t r u c t u r ea n dw o r k i n g p r i n c i p l e 5 7 5 4 2r b fn e t w o r ke s t a b l i s h m e n t ! ；9 5 4 3i m fn e t w o r kt r a i n i n g 5 9 5 4 4r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 6 i ) 5 5r e g r e s s i o nm o d e l i n g 6 2 5 6s u m m a r y 6 5 c o n c l u s i o n sa n d p r o s p e c t s r e f e f e n c e s p u b l i c a t i o n s d e c l a r a t i o n a c k n o w l e d g e m e n t a p p e n d i x 7 2 。7 3 7 4 7 5 a p p e n d i x1 m a t l a bp r o g r a mf o ri m a g ep r o c e s s i n go fm o l t e np o o l 7 5 a p p e n d i x2m a t l a bp r o g r a mf o re x t r a c t i n gk e y h o l ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s 7 8 a p p e n d i x3m a t l a bp r o g r a mf o re x t r a c t i n gh e a te f f e c tp a r a m e t e r 7 8 a p p e n d i x4m a t l a bp r o g r a mf o rb p n e u r a ln e t w o r km o d e l i n g 7 8 a p p e n d i x5m a t l a bp r o g r a mf o rr b f n e t w o r k m o d e l i n g 8 0 a p p e n d i x6m a t l a bp r o g r a mf o rr e g r e s s i o na n a l y s i s 8 8 2 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论弟一早三百。v 匕 激光焊接是激光加工和材料加工技术应用的重要手段之一。激光焊接具有高质量、 高精度、低变形、高效率和高速度等特点，使其成为2 1 世纪最受瞩目且最具发展前景 的焊接技术。随着高功率c 0 2 和高功率的y a g ( y t t d u m a l u m i n u mg a r n e t ，钇铝石榴石) 激光器的研制成功，激光焊接在机械制造、航空航天、汽车工业、造船工业、粉末冶 金、生物医学和微电子行业等领域的应用越来越广泛【l - 2 】。 大功率光纤激光焊与传统的焊接方法相比，具有焊接速度快、焊缝热影响区小和 深宽比大等优点，可以保证高能量集中性，实现多种金属和非金属材料的焊接【3 1 。尤其 对于焊接厚板材料，大功率光纤激光焊接不需要开坡口和填充材料，一次焊接成型， 大大节约了工时和成本。由于焊接前安装夹具的装配误差和焊接过程中工件材料的热 变形影响，使得焊缝路径往往偏离预先设定的轨迹，造成焊缝跟踪偏差，通常激光束 与焊缝路径之间的偏差大于0 2 m m 即可导致焊接工件报废，因此必须准确实时地识别 和跟踪焊缝。但激光束功率密度高，光斑直径小，焊缝间隙通常很小，再加上激光焊 接速度快，要实时准确地识别和跟踪焊缝是十分困难的。对大于0 2 m m 间隙的焊缝跟 踪一般可采用结构光视觉跟踪方法【4 】，但对小于0 1 m m 间隙的焊缝跟踪目前还没有很好 的解决方法。 对传统焊接熔池区域信息的分析，常见方法有焊接电流信号分析法和特征谐波振 幅分析法等【5 】，热辐射伴随着整个焊接过程并含丰富的焊接质量信g t 6 , 7 l ，当激光束对中 和偏离焊缝时，熔池区域温度分布和热辐射必然存在变化，其红外热像特征存在差异。 为此，以大功率光纤激光焊接t y p e 3 0 4 奥氏体不锈钢板为试验对象，采用红外传感高 速摄像机拍摄焊接区域熔池红外动态热像，分析激光束对中和偏离焊缝时的熔池红外 热像特征变化。定义熔池的匙孔形状参数和热堆积效应参数作为检测激光束与焊缝偏 差的特征值，探索特征值与焊缝偏差之间的内在规律，研究一种基于红外热像的大功 率光纤激光焊焊缝跟踪偏差检测新方法。 广东工业大学硕士学位论文 1 2 激光焊接概述 1 2 1 激光焊接工作原理 激光焊接技术的发展经历了固体受激物质一气体受激物质一固体受激物质、脉冲 激光焊接一连续激光焊接、低功率一高功率、薄板一厚件、低速一高、低频一高频及 低效一高效的历史。 激光焊接是一种新的融合焊接，它使用受激辐射的原子原理，使工件( 激光材料) 受激产生一束单色激光好、方向性强、高强度的激光束，激光束聚焦后能达到的最高 能量密度高达1 0 1 3 w c m 2 以上【8 ，9 1 ，在千分之几秒，甚至会更短的时间将光能转换成热 能，温度高达摄氏一亿度以上，使用这种高能量的激光脉冲在工件材料小区域局部加 热，激光辐射能量直接通过在材料内部进行热扩散，当温度达到材料的熔点时，将材 料熔化后形成熔池，进而达到焊接的目的。大功率光纤激光焊接的实物图如图1 1 所 示。 图1 - 1 大功率激光焊接实物图 f i g u r e1 1i m a g eo fh i g h p o w e rl a s e rw e l d i n g 1 2 2 激光焊接技术的优缺点 目前，随着工业自动化的不断发展，焊接自动化的研究热点主要集中在：焊缝自 动跟踪技术，特别是视觉跟踪技术；焊缝成形控制技术，包括焊接熔深控制、全位置 2 第一章绪论 焊接参数实时控制技术以及单面焊双面成形技术；高效焊接技术，包括高效焊接新方 法与新设备；焊接机器人技术等。 激光焊接技术的主要优点有1 0 - 1 3 ，焊件质量好，变形和残余应力小；焊接速度快， 热输入量小，在常规的环境条件下即可以实现；激光光束传输简单方便，灵活性强， 自动化程度较高，可与机器人和数控组合使用；激光焊接钛，铝，镍基合金，各种钢 和工程塑料等，可以得到高强度接：具有很高的深宽比；无需焊料，对焊接材料不污 染；效率高，操作灵活，容易实现自动化。 当然，采用激光焊接也存在其不足之处【1 4 。5 1 ，由于激光聚焦光斑直径小，在焊接 过程中需要实时跟踪焊缝，这就要求焊件位置需要非常精确，务必控制在激光束的聚 焦范围内，对于微小焊缝的情况，给焊缝跟踪带来了困难；激光加工设备昂贵；构建 的装配在焊接过程中也可能引起激光束具有危险性的反射等。 1 2 3 激光焊接分类 激光焊接过程划分为两种模式：热传导焊接和深熔焊接，如图1 2 所示。二者的 区分标准为焊接过程中是否产生匙孔。这两种模式的焊接具有完全不同的能量耦合机 制、焊缝成形机理和焊接效果。热传导焊接和深熔焊接是激光焊接过程的两种状态， 随着激光功率密度的升高发生由热传导焊接状态向深熔焊接状态的转变。 _ 1 厂 ( a ) 热传导焊( b ) 深熔焊 ( 1 激光束2 等离子体云3 熔化材料4 匙孔5 熔深) 图1 2 激光焊接模式【9 】 f i g u r el - 2m o d eo fl a s e rw e l d i n g 广东工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 传导焊：依靠热传导方式把激光的能量由工件表面向工件内部传递，通过控制激光 工艺参数使工件上形成一定深度的熔池，由于工件吸收的能量不足以使金属汽化，只 发生熔化，此时金属的熔化是通过对激光辐射能量的吸收及热量传导进行的。在早期 采用脉冲固体激光器进行的焊接中大部分属于此类型，现在大多应用于微电子元器件 等小型精密部件的焊接。 ( 2 ) 深熔焊：当高功率密度的激光照射工件表面时，辐照区的表层局部熔化并汽化，在 汽化膨胀压力反作用下，使得部分熔融材料被喷出，在材料内部形成小孔，产生小孔 效应( 匙孔效应) 把激光能量直接传递到工件内部。随着工件相对于光束的移动，小孔保 持稳定并在材料中移动，小孔后的熔化材料不断冷却凝固形成焊缝【9 】。 1 2 4 激光焊接的应用 激光焊接技术具有传统焊接方法无可比拟的优越性，特别是随着大功率激光器的 产生，激光焊接技术的发展经历了一系列的技术变迁，技术工艺从简单到复杂，在目 前的工业应用中日趋广泛，已涉及航天制造、武器制造、船舶制造、家电制造、压力 容器制造等行业，遍及民用、医用、军用等领域，激光焊接技术、电子束加工技术以 及等离子束加工技术被誉为2 1 世纪最具发展前景的、最有效率的加工技术【1 6 1 。 1 3 激光焊接焊缝跟踪研究现状 在激光焊接过程中，激光束照射到金属材料上，激光能量与金属材料相互作用， 产生的物理效应能发射出各种可用于检测激光焊接质量的信息。例如：焊接工件材料 高温熔化后产生的金属材料的热辐射( 红外辐射、近红外和可见光) ；遇热后金属材料的 蒸发及膨胀所造成的声波信号；金属蒸汽产生的电磁辐射( 紫外、可见光和近红外辐射) ； 由移动的带电电荷产生的电流及导电材料电荷堆积信号等。以上信号可用于检测激光 焊接质量，在实际焊接质量检测中一般采用视觉传感检测为主【协1 9 1 。 大功率光纤激光焊接的能量密度大、焊接速度快，在焊接过程中温度变化程度剧 烈，焊接现场将产生大量的烟尘、金属蒸汽和飞溅，加上光源辐射的干扰和杂质飞溅 的影响，人们很难直接通过高速摄像机直接摄取熔池的准确细节及焊缝周围的有效信 息。目前，国内外关于激光焊接过程中的焊缝位置信息检测的方法主要有以下四种方 法。 4 第一章绪论 1 3 1 结构光视觉传感法 结构光视觉传感方法的工作原理是：通过将一束辅助激光投射到焊缝表面并由视 觉传感器摄取反射回来的焊缝轮廓光条纹信号，进一步通过图像处理技术提取结构光 条纹中心线，然后利用模式识别技术去完成目标焊缝轮廓的识别，为焊缝的跟踪提供 所需要的信息，整个过程要求满足实时性、精确性、可靠性等诸多实用要求。结构光 视觉传感示意图见图1 3 所示，该方法已广泛用于实际焊接工业现场【2 0 1 。 图像处理决定了焊缝检测的成败，但结构光视觉传感法很容易受n - 次反光、光 亮条纹亮度分布不均匀、焊接辐射光、烟雾和飞溅等影响，因此使得图像处理成为了 整个检测处理环节中的一个难题。具体步骤是【2 l 】：先通过对图像进行光条纹灰度的分 割和重心位置的计算，实现结构光条纹中心线的提取，再利用逐点递增式的分段直线 段拟合提取焊缝接头轮廓的形状特征，最后在多种接头轮廓的形状描述的基础上实现 对焊缝接头的识别和跟踪特征的提取。 目前基于激光视觉跟踪焊缝的焊接机器人系统是通过安装在机器人手臂末端的激 光视觉传感器投射激光到焊缝上，通过视觉图像处理获取焊缝位置特征点( t ! l j 焊缝的中 心线上的点) 坐标，反馈为机器人控制器，控制器连续采集并对特征点进行曲线拟合， 随时通过坐标转换确定焊缝在机器人坐标系的位置。 厂l 【一j 辅助激光j 图1 3 结构光视觉传感法工作原理图 f i g u r el 3s t r u c t u r e dl i g h ts e n s i n gm o d e 广 广东工业大学硕士学位论文 1 3 2 同轴视觉检测法 激光焊接利用激光发射器产生的激光束的高能量，基于激光发射器的独特结构， 可设计一种监视器与激光发射器同轴的检测方法，进而达到同轴视觉检测的目的【2 2 。 通过直接摄取激光束正下方的熔池区域及匙孔图像，分析其图像灰度分布、温度分布 及变化规律，用以识别焊缝中心偏差信息。此方法直接获取熔池图像，基本上消除了 导前误差，但是试验装置不易于安装口3 - 2 4 】。图l - 4 为同轴视觉检测系统试验示意图， 通过直接拍摄激光束对准位置正下方的熔池及匙孔图像，分析其变化规律，用以识别 焊缝位置信息。 激光束 分光 聚焦透镜 辅 j 卜：， l | i 一 f_ 6 | | | | | | | | | | | | o | | | | | | | | _ _ - | | 第一章绪论 速摄像头快门摄取焊接区的图像，通过高速摄像机与相应滤光片的组合，获得的图像 不再是电弧光反射的结果，而是瞬时强激光反射的结果，从而达到消除干扰的效果， 获取较为清晰的熔池焊接图像，利用获得的有效图像识别焊缝偏离状况【2 6 1 。 i l ：7 似 。一夥“ 图1 - 5 激光频闪摄像法的焊缝跟踪系统 f i g u r e1 - 5l a s e rs t r o b o s c o p i cp h o t o g r a p h ym o d eo fs e a mt r a c k i n gs y s t e m 1 3 4 红外传感检测法 红外检测法是利用红外摄像机直接采集熔池区域范围内的红外辐射图像，由于激 光焊接过程从头到尾伴随着大量的热量变化，温度场是焊接状态特性的重要体现，当 激光束准确的跟踪对准焊缝位置的情况下，熔池区域及其周围产生的温度场应该呈现 均匀且对称分布，伴随着焊缝逐渐偏离，温度场呈规律性变化，因此红外检测方法在 一定程度上能够实现焊缝跟踪【2 7 五引。 1 4 选题意义及主要研究内容 1 4 1 课题选题意义 由于大功率光纤激光焊接所特有的优点，其应用范围正在各工业领域中扩展，并 逐步替代一些传统焊接工艺，在制造业生产中占据愈来愈重要的地位。同时，激光焊 7 广东工业大学硕士学位论文 接的自动化也在快速发展。 论文拟通过深入分析熔池红外图像特征，建立焊缝路径与激光束偏差实时测量的 红外动态视觉模型，提出能够反映激光焊接过程激光束与焊缝位置间关系的特征参数： 匙孔形状参数、热堆积效应参数和匙孔质心，并以以上参数作为研究的状态向量，运 用传热学、图像处理和神经网络建模完成视觉模型的建立。探索匙孔形状参数、热堆 积效应参数、匙孔质心和激光束偏移焊缝之间的规律，完成激光焊接过程中焊缝的检 测，为焊缝纠偏实时自动调整奠定基础，对于促进大功率光纤激光焊接的自动化和提 高激光焊接产品质量具有理论和现实意义。 1 4 2 课题主要研究内容 ( 1 ) 以大功率光纤激光焊接( 功率：1 0k w ) 为研究对象，分析高速视觉传感器定标、窄 带滤光片特性、焊接区熔池动态图像增强和特征提取技术，在具有强烈干扰的焊接 条件下，准确探测和计算出图像热分布和匙孔形变特征参数； ( 2 ) 传热学机理分析熔池区域温度分布特征，分析和计算熔池区域表面温度分布特征和 红外热像随焊缝偏差的变化规律； ( 3 ) 融合熔池红外图像的空域与时域参数，分析熔池动态特性，计算熔池特征； ( 4 ) 建立熔池特征参数与激光束和焊缝偏差之间的数学关系。 1 5 本章小结 本章节通过简述激光焊接的特点和激光焊接的重要地位，强调精确的焊缝位置跟 踪和识别的重要性，尤其对于大功率光纤激光焊接，激光束与焊缝位置的准确对中是 决定焊接质量的关键。本章对国内外关于焊缝位置的跟踪和识别方法进行了归纳总结， 通过对各种方法优缺点的比较，针对3 0 4 型奥氏体不锈钢板细小焊缝的焊接，采用高 速红外视觉传感技术，提取焊接熔池区域红外热像，分析红外热像的特点和反映焊接 状况的特征参数，建立焊缝偏差视觉模型，对焊缝跟踪偏差进行测量。最后，本章节 介绍了课题的研究内容和研究意义。 3 第二章大功率光纤激光焊接试验设计 第二章大功率光纤激光焊接试验设计 2 1 试验系统概述 试验装置主要包括：由i p gp h o t o n i c s 公司生产的y l r 1 0 0 0 0 型大功率光纤激光焊 接设备、p